李德旺，許春雨，宋建成，田慕琴，邢希君

(太原理工大學(xué)，煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室， 礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，太原030024)

0 引 言

農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)種植與生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對提高作物產(chǎn)量起著決定性的作用。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示[1]，2015年，農(nóng)田灌溉用水占總用水量的比例約為63.11%，其發(fā)展態(tài)勢為農(nóng)業(yè)用水的比重逐漸降低，并且我國主要灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)約為0.4，農(nóng)業(yè)水資源短缺與粗放低效利用并存的狀況，進一步加劇了農(nóng)業(yè)水資源短缺程度。我國在農(nóng)業(yè)灌溉方面，還存在一些問題：①仍以傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)驗為主，缺乏精確調(diào)控手段，農(nóng)田灌溉精度難以保證，造成水資源浪費嚴重；②灌溉技術(shù)落后，監(jiān)測與控制都采用人工管理，缺乏技術(shù)創(chuàng)新，存在勞動強度大、人機交互能力差等弊端，嚴重影響農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量。因此，依靠人工智能算法合理計算灌水定額的高效、智能灌溉技術(shù)成為解決水資源不足，緩解農(nóng)業(yè)用水供需矛盾的有效途徑。

目前，美國利用“3S”技術(shù)獲取、傳送、處理各類農(nóng)業(yè)信息[2]，據(jù)其確定農(nóng)田土壤水分變化和適宜的灌水區(qū)與灌水量，科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉。我國“十三五”發(fā)展規(guī)劃[3]明確指出，要大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)步伐，應(yīng)用智能控制、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，建立互聯(lián)共享的信息平臺，重點突破農(nóng)機裝備、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化監(jiān)測和管理。本文針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型時期出現(xiàn)的問題，在前人研究的基礎(chǔ)上[4-5]，設(shè)計并實現(xiàn)了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的遠程智能化灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可遠程監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境信息，并根據(jù)模糊控制算法實現(xiàn)適時適量的灌溉，保證農(nóng)作物在各生長階段都處于最佳的生長狀態(tài)，實現(xiàn)灌溉過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

1 智能灌溉系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)施農(nóng)業(yè)遠程智能化灌溉控制系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計[6]：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 The architecture diagram of overall system

感知層是設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的底層，具有全面感知的核心能力，為智能化灌溉系統(tǒng)提供最原始的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)依據(jù)無線傳感節(jié)點的低功耗、低成本及操作性靈活的設(shè)計原則，采用微型ZigBee智能化傳感節(jié)點結(jié)合土壤濕度傳感器獲取農(nóng)田土壤濕度信息，為精準灌溉提供科學(xué)、全面的依據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層是以局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)建立起來的無線數(shù)據(jù)傳輸通道，網(wǎng)絡(luò)層主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，可將感知層采集到的環(huán)境信息無障礙、高可靠性地傳輸?shù)綉?yīng)用層進行處理，亦可將應(yīng)用層的灌溉決策送到感知層，控制執(zhí)行機構(gòu)動作。該無線數(shù)據(jù)傳輸通道避免了農(nóng)田、果林等大面積栽培種植區(qū)域網(wǎng)絡(luò)布線帶來的各種問題。

應(yīng)用層的主要功能是合理、高效地處理網(wǎng)絡(luò)層傳來的海量農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，利用模糊控制算法智能處理土壤濕度信息，做出正確的灌溉決策，控制水泵、電磁閥的有效動作，解決了信息處理和人機界面的問題，實現(xiàn)智能化灌溉管理。

2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)技術(shù)在智能灌溉中的應(yīng)用是將智能傳感器單元按照一定的布局安裝在灌溉農(nóng)田內(nèi)，然后通過無線通信方式實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)環(huán)境和監(jiān)測對象的信息[7]，再發(fā)送到信息采集站或灌溉系統(tǒng)集控中心，避免了灌溉現(xiàn)場布線帶來的各種問題。

WSN主要由傳感節(jié)點(終端)、路由節(jié)點(路由器)、協(xié)調(diào)節(jié)點(協(xié)調(diào)器)組成，分別負責(zé)灌溉區(qū)域內(nèi)的信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、控制信息的傳輸、傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置和管理。WSN具有容量大、功耗低、可靠性強等優(yōu)點，可應(yīng)用于較大規(guī)模的作物生產(chǎn)基地，促進了智能農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

本系統(tǒng)以局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，建立了獲取農(nóng)田環(huán)境信息的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 The topology of WSN

傳感器節(jié)點采用支持IEEE802.15.4協(xié)議、工作在2.4 GHz頻段、傳輸速率為250 Kbps的ZigBee技術(shù)，是一種功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性強的雙向無線通訊技術(shù)。型號為RS-WS-NO1-TR的土壤濕度傳感器與ZigBee無線模塊通過RS485總線方式通信。多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組合成一個具有自組織、自愈能力的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，將獲取到的農(nóng)田信息以多跳的方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是局域網(wǎng)轉(zhuǎn)廣域網(wǎng)的媒介，能夠完成ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)GPRS、GPRS連接Internet的任務(wù)，實現(xiàn)無線近距離傳輸向無線遠程傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變，擴展通信距離，突破了地域限制。

遠程監(jiān)測中心主要接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示、存儲，方便用戶進行歷史查詢，并且可設(shè)定現(xiàn)階段農(nóng)作物生長的最佳濕度，保證農(nóng)作物在各生長階段都處于最佳的生長狀態(tài)。

3 智能控制策略

3.1 模糊控制理論

模糊控制(Fuzzy Control)在智能灌溉中的應(yīng)用是把基于豐富的種植經(jīng)驗總結(jié)出來的、用自然語言表述灌溉策略，或通過大量實際灌溉數(shù)據(jù)總結(jié)出來的控制規(guī)則，用計算機予以實現(xiàn)的智能化灌溉控制[8]。它與傳統(tǒng)控制方法的最大不同，在于不必研究被控對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作機理或數(shù)學(xué)模型。

圖3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The block diagram of fuzzy controller

土壤是一個慣性、非線性系統(tǒng)，且作物全生育期包含多環(huán)境因子，很難建立精確統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，將模糊控制技術(shù)引入對土壤濕度信息的分析與處理，可提高灌溉決策的準確性。常用的模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。土壤濕度作為作物生長的重要環(huán)境變量，在農(nóng)田灌溉中，通常把土壤濕度差值和差值變化率分別作為模糊控制器的輸入信號，經(jīng)過模糊化(D/F)變換成模糊量，送入含有模糊規(guī)則的模糊推理模塊(R)，經(jīng)過近似推理得出結(jié)論—模糊集合，然后被清晰化模塊(F/D)變換成清晰量，再輸出到下一級去調(diào)節(jié)被控對象，達到預(yù)期控制效果，完成灌溉系統(tǒng)模糊控制。

3.2 模糊控制器的設(shè)計

土壤濕度信息的智能處理，是實現(xiàn)智能化灌溉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計模糊控制系統(tǒng)的核心是設(shè)計模糊控制器，本設(shè)計采用二輸入單輸出的Mamdani型模糊控制器，采用三角形與高斯型相結(jié)合的隸屬函數(shù)，輸入為土壤濕度差值和差值變化率，輸出為電磁閥開啟時間U。農(nóng)作物生長的最佳濕度記為R，實測土壤濕度記為Y，土壤濕度差值為E=R-Y，差值變化率為EC=dE/dt。

土壤濕度差值E和土壤濕度差值變化率EC的物理論域分別為[-15,15]和[-3%,3%]，語言變量論域內(nèi)模糊子集均為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。模糊論域為{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。電磁閥開啟時間U的物理論域為[0,10]，模糊子集為{ZE、PS、PM、PB}，模糊論域為{0，1，2，3，4}。輸入量、輸出量的隸屬函數(shù)賦值表如表1～2所示。生成模糊控制規(guī)則是設(shè)計模糊控制器中最為核心的工作[9]。本研究中模糊控制規(guī)則的設(shè)計原則：根據(jù)實時獲取的土壤濕度與預(yù)先設(shè)置的作物生長最佳濕度的差值，動態(tài)調(diào)整電磁閥的啟停，保證農(nóng)作物在各生長階段都處于最佳的生長狀態(tài)。表3為輸出量U的模糊控制規(guī)則。

表1 輸入量E/EC的隸屬函數(shù)賦值表

3.3 模糊控制器的仿真

模糊控制器設(shè)計完畢后，對模糊控制器的調(diào)試是非常重要的工作。在MATLAB中，模糊推理系統(tǒng)的GUI是進行模糊系統(tǒng)仿真的重要工具。在模糊推理系統(tǒng)編輯器(FIS Editor)、隸屬函數(shù)編輯器(Membership Function Editor)以及模糊規(guī)則編輯器(Rule Editor)3個編輯器中，可以完成模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)編輯、模糊子集的隸屬函數(shù)及其分布的選定、模糊規(guī)則的建立等主要設(shè)計任務(wù)，以及控制效果的仿真觀測和設(shè)計參數(shù)的調(diào)試。圖4是通過輸出曲面觀測窗查看輸入、輸出的關(guān)系。由曲面圖可以看出，輸出量U是兩個輸入量E和EC的非線性函數(shù)U=F(E,EC)，圖中光滑、平緩的輸出特性曲面是模糊控制器性能優(yōu)良的基礎(chǔ)。

表2 輸出量U的隸屬函數(shù)賦值表

表3 模糊控制規(guī)則表

圖4 輸出特性曲面圖Fig.4 Output characteristic surface

同時，采用Simulink中的Fuzzy Logic Toolbox對整個模糊灌溉控制系統(tǒng)進行建模和仿真分析。將土壤最佳濕度設(shè)置為65%，土壤濕度仿真曲線如圖5所示。

圖5 土壤濕度仿真曲線Fig.5 Soil humidity simulation curve

由仿真結(jié)果可以看出，模糊控制器響應(yīng)快、無振蕩、系統(tǒng)平穩(wěn)性好，仿真得到的土壤濕度與設(shè)定的最佳濕度誤差約為2.5%，符合灌溉精度要求。

4 軟件設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

西門子PLC作為現(xiàn)場控制器,與GPRS模塊通過RS485總線通信，遠程接收集控計算機指令，驅(qū)動水泵、電磁閥執(zhí)行有效的動作。該系統(tǒng)的PLC程序功能上主要包括數(shù)據(jù)初始化、控制模式切換(包括智能控制模式和手動控制模式)、環(huán)境參數(shù)控制、選擇最佳濕度范圍以及遠程通信，還可接收實時環(huán)境參數(shù)，避免上位機數(shù)據(jù)處理造成時間上的延遲誤差，形成閉環(huán)反饋控制[10]，提高灌溉精度。

選擇當前最佳濕度程序就是根據(jù)集控中心下達的指令滿足作物在不同生長階段對土壤濕度的需求。智能化灌溉控制系統(tǒng)采用智能控制與手動控制相結(jié)合的控制方法，可根據(jù)集控計算機或現(xiàn)場控制柜進行選擇。智能灌溉控制模式就是采用模糊控制算法根據(jù)當前土壤濕度，準確計算灌水時間，滿足灌溉需求。手動控制模式則是PLC根據(jù)I/O輸入手動操作灌溉系統(tǒng)，進行灌溉。無線模塊亦可讀取PLC寄存器的值，將灌溉時間、水泵及電磁閥的動作情況上傳到集控計算機顯示、存儲。

4.2 集控中心軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用亞控科技公司的Kingview6.55軟件為開發(fā)平臺，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際設(shè)計了一套系統(tǒng)集中監(jiān)控界面。集控中心界面主要由系統(tǒng)管理單元、數(shù)據(jù)顯示單元、數(shù)據(jù)存儲單元、最佳濕度選擇單元、運行模式選擇單元、報警單元等組成，其主要功能為：

(1)系統(tǒng)管理單元。主要針對不同的用戶設(shè)置管理權(quán)限，分別具有完善和細致的功能，增強了智能灌溉系統(tǒng)的安全性。

(2)數(shù)據(jù)顯示單元。將采集到的不同區(qū)域的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)以文本和曲線的形式顯示，管理人員能夠直觀的了解農(nóng)田現(xiàn)場狀況。

(3)數(shù)據(jù)存儲單元。農(nóng)田環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)量大，保證這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)可靠存儲是實現(xiàn)智能灌溉的基礎(chǔ)[11]。數(shù)據(jù)庫對不同數(shù)據(jù)分類存儲，亦可根據(jù)查詢、檢索以及歷史曲線圖的方式直觀顯示。

(4)最佳濕度選擇單元。操作者根據(jù)農(nóng)作物當前生長階段設(shè)定最佳土壤濕度，系統(tǒng)自動根據(jù)模糊控制算法形成最優(yōu)灌溉方案。

(5)WEB界面發(fā)布。方便用戶在沒有安裝Kingview 6.55的遠程客戶端查看農(nóng)業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)，提高了數(shù)據(jù)共享性。

(6)安全報警。集控界面設(shè)置安全報警單元，增加了對系統(tǒng)故障的監(jiān)測和識別能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)性能測試是檢測系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求的關(guān)鍵步驟，測試項目主要包括數(shù)據(jù)采集測試和智能化灌溉測試。

5.1 數(shù)據(jù)采集測試

傳感器數(shù)據(jù)采集精度是直接影響智能化灌溉的直接因素，所以有必要對傳感器采集結(jié)果、ZigBee節(jié)點與GPRS通信可靠性、GPRS與應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性進行測試，保證環(huán)境參數(shù)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場不會因為傳感器精度、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}導(dǎo)致錯誤的灌溉決策。測試方案是將10個傳感器節(jié)點以六邊形規(guī)則化節(jié)點部署方法置于灌溉試驗區(qū)，形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)土壤濕度采集，再將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS遠程發(fā)送到集控中心。試驗區(qū)土壤濕度實時刷新，隨機選取某時刻的測試值，與實際值比較，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 土壤濕度試驗數(shù)據(jù) %

試驗結(jié)果表明，ZigBee節(jié)點可以準確地將傳感器采集到的農(nóng)田環(huán)境信息通過GPRS傳到監(jiān)測中心，誤差均未超過1%，傳感器采集結(jié)果準確，網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠，滿足系統(tǒng)的性能指標和技術(shù)要求。

5.2 智能灌溉測試

模糊控制算法是智能灌溉系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，其控制效果如何，必須通過系統(tǒng)運行試驗進行測試。集控計算機機將最佳土壤濕度設(shè)置為65%，系統(tǒng)根據(jù)模糊控制算法自動形成最優(yōu)灌溉方案，做出灌溉決策，PLC作為現(xiàn)場控制器控制水泵和電磁閥動作，土壤濕度響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 土壤濕度響應(yīng)曲線Fig.6 Soil humidity response curve

試驗結(jié)果表明，集控中心的各項管理功能正常，系統(tǒng)可在無人值守的情況下，根據(jù)實時土壤濕度做出最優(yōu)灌溉決策，使土壤濕度保持在設(shè)定值附近，提高了灌溉水利用系數(shù)，減少了農(nóng)田用水量，實現(xiàn)了遠程智能化灌溉的設(shè)計要求。

6 結(jié) 語

本文針對農(nóng)田灌溉技術(shù)水平落后、缺乏技術(shù)創(chuàng)新，導(dǎo)致灌溉精度差、水資源浪費嚴重等問題，通過多種技術(shù)的融合，進行了農(nóng)田灌溉智能控制與管理技術(shù)的研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)構(gòu)建了設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，集信息采集、傳輸、灌溉應(yīng)用為一體，實現(xiàn)種植區(qū)域統(tǒng)一管理。

(2)設(shè)計了無線局域網(wǎng)ZigBee與無線廣域網(wǎng)GPRS多網(wǎng)絡(luò)融合通訊模式，搭建底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境信息無線近距離采集與遠程傳輸。

(3)采用模糊控制算法實現(xiàn)了智能化灌溉，系統(tǒng)可在無人干預(yù)的情況下自主根據(jù)作物需水量驅(qū)動設(shè)備完成精準灌溉，以最低限度的灌水量保證作物處于最佳生長狀態(tài)，滿足作物成長營養(yǎng)需求，可大幅提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

(4)利用Kingview 6.55搭建了上位機平臺，并結(jié)合WEB網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，提高了數(shù)據(jù)的實時共享性，實現(xiàn)了作物種植的遠程監(jiān)控。

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